第五章数控机床伺服驱动系统
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5数控机床伺服驱动和检测
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第一节 概述
但直流电机有电刷，限制了转速的提高，而且结构复杂，价格 也高。进入80年代后，由于交流电机调速技术的突破，交流伺服 驱动系统进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服电机，转 子惯量比直流电机小，动态响应好。而且容易维修，制造简单， 适合于在较恶劣环境中使用，易于向大容量、高速度方向发展， 其性能更加优异，已达到或超过直流伺服系统，交流伺服电机已 在数控机床中得到广泛应用。 直线电动机的实质是把旋转电动机沿径向剖开，然后拉直演 变而成，利用电磁作用原理，将电能直接转换成直线运动动能的 一种推力装置，是一种较为理想的驱动装置。在机床进给系统中， 采用直线电动机直接驱动与旋转电动机的最大区别是取消了从电 动机到工作台之间的机械传动环节，把机床进给传动链的长度缩 短为零。正由于这种传动方式，带来了旋转电动机驱动方式无法 达到的性能指标和优点。由于直线电动机在机床中的应用目前还 处于初级阶段，还有待进一步研究和改进。随着各相关配套技术 的发展和直线电动机制造工艺的完善，相信用直线电动机作进给 驱动的机床会得到广泛应用。
选择：①伺服系统要求的分辨率； ②考虑机械传动系统的参数。
分辨率（分辨角）α
设增量式码盘的规格为 n 线/转：
18
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
19
二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
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二、脉冲编码器
第 五 章 数 控 机 床 的 驱 动 装 置
2
第一节 概述
数控机床闭环进给系统的一般结构如图所示，这是一个双闭环系统，内环 为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速 度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系 统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC装置 中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等部分组成。由速度 检测装置提供速度反馈值的速度环控制在进给驱动装置内完成，而装在电动机 轴上或机床工作台上的位置反馈装置提供位置反馈值构成的位置环由数控装置 来完成。伺服系统从外部来看，是一个以位置指令输入和位置控制为输出的位 置闭环控制系统。但从内部的实际工作来看，它是先把位置控制指令转换成相 应的速度信号后，通过调速系统驱动伺服电机，才实现实际位移的。
《数控机床伺服驱动》课件
01
开环控制
控制器只发出控制指令，不接收反馈信号，通过机械传动装置直接控制被控制量。
02
半闭环控制
控制器接收部分反馈信号，通过机械传动装置间接控制被控制量。
03
CHAPTER
数控机床伺服驱动系统的硬件结构
01
伺服驱动器是数控机床伺服系统的核心部件，负责接收来自数控系统的指令，并将其转换为电机可以理解的信号。
1
2
3
确保硬件电路连接正确，无短路、断路等问题。
硬件调试
通过调试工具对软件进行调试，确保软件功能正常。
软件调试
根据实际应用需求，对系统进行优化，提高系统性能和稳定性。
系统优化
05
CHAPTER
数控机床伺服驱动系统的应用与案例分析
用于加工汽车零部件，提高加工精度和效率。
汽车制造
用于加工飞机零部件，要求高精度和高可靠性。
《数控机床伺服驱动》ppt课件
目录
数控机床伺服驱动系统概述数控机床伺服驱动系统的原理数控机床伺服驱动系统的硬件结构数控机床伺服驱动系统的软件实现数控机床伺服驱动系统的应用与案例分析
01
CHAPTER
数控机床伺服驱动系统概述
总结词
基本概念与构成
详细描述
伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，负责将数控装置发出的指令信号转换为机床执行机构的位移、速度和加速度，以实现对加工过程的精确控制。伺服驱动系统主要由伺服电机、伺服控制器和反馈装置三部分组成。
分类与特性
总结词
根据使用的电机类型和调节方式的不同，伺服驱动系统可分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统两大类。直流伺服驱动系统具有调速范围宽、动态响应快、定位精度高等特点，但维护较为复杂。交流伺服驱动系统具有结构简单、可靠性高、节能环保等优点，已成为主流。
数控机床伺服驱动
编码器技术
编码器是数控机床伺服驱动系统中用于检测位置和速度的传感器，能够实时反馈机床的工作状态。
编码器通过光电、磁电等方式将机械位移量转换为电信号，经过处理后传输给控制器，控制器根据编码 器的反馈信号调整伺服电机的输出，以实现高精度的位置控制和速度控制。
编码器的分辨率和精度直接影响着数控机床的加工精度和动态性能。
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反馈
在运动过程中，机床执行部件的位置、速度等参 数通过反馈装置反馈回伺服控制器，形成闭环控 制系统，确保加工过程的精确性和稳定性。
分类与组成
分类
数控机床伺服驱动系统可以根据不同的分类标准进行 分类，如按照控制方式可以分为开环控制和闭环控制 ；按照驱动方式可以分为步进电机式和直流电机式等 。
组成
数控机床伺服驱动系统主要由伺服控制器、伺服电机 、传动机构和反馈装置等部分组成。其中，伺服控制 器是整个系统的核心，负责接收指令信号并进行处理 ；伺服电机是执行机构，负责将控制信号转换成机械 运动；传动机构是连接电机和执行部件的桥梁，负责 传递运动；反馈装置则负责将执行部件的位置、速度 等参数反馈回伺服控制器，形成闭环控制系统。
高效能电机
随着技术的进步，高效能电机将逐渐取代传统电机，提高伺服驱 动系统的效率和响应速度。
精密控制算法
通过改进和优化控制算法，提高伺服驱动系统的精度和稳定性， 满足更复杂加工需求。
集成化与模块化设计
实现伺服驱动系统的集成化和模块化，简化安装和维护过程，提 高系统的可扩展性和灵活性。
应用领域的拓展
02
数控机床伺服驱动系统 的关键技术
伺服电机技术
伺服电机是数控机床伺服驱动系统的核心部件，负责将电能转化为机械能，驱动数 控机床的切削运动。
第五章_机电传动伺服系统
伺服系统概述
模拟控制方式的特点： 控制系统响应速度快，调速范围宽； 易于与常见输出模拟速度指令的CNC接 口； 系统状态及信号变化易于观测； 系统功能由硬件实现，易于掌握，有利 于使用者进行维护、调整； 模拟器件温漂和分散性对系统的性能影 响较大，系统的抗干扰能力较差； 难于实现复杂的控制算法，系统缺少柔 性。
伺服系统概述
5.1 伺服系统的基本概念
5.1.1 伺服的定义
伺服系统是指执行机构按照控制信号的要 求而动作。 主要任务：按照控制命令要求，对信号变 换、调控和功率放大等处理，使驱动装置输出 的转矩、速度及位置都能得到灵活的控制。
伺服系统概述
5.1.2 伺服系统的组成
组成:检测部分、误差放大部分、执行部
伺服系统概述
5.3.1.2 感应型交流伺服电机 随着电力电子技术、微处理器技术与磁场 定向控制技术的快速发展，使感应电机可以达 到与他励式直流电机相同的转矩控制特性，再 加上感应电机本身价格低廉、结构坚固及维护 简单的优点，感应电机逐渐在高精密速度及位 置控制系统得到越来越广泛的应用。
感应电机的定子电流中，包含相当于直流 电机励磁电流与电枢电流的两个成分。
伺服系统概述
5.5 交流伺服系统常用性能指标
（1） 调速范围D 伺服系统在额定负载时所提供的最高转速 与最低转速之比: nmax D nmin （2）转矩脉动系数 额定负载下转矩波动的峰峰值与平均转矩 之比：
TP P KTr 100% Tavg
伺服系统概述
（3） 稳速精度 伺服系统在最高转速、额定负载条件下， 令电源电压变化、环境温度变化，或电源电压 与环境温度都不变，连续运行若干小时，系统 电机的转速变化与最高转速的百分比分别称为 电压变化的稳速精度、温度变化的稳速精度、 时间变化的稳速精度。
数控机床的伺服驱动系统设计
数控机床的伺服驱动系统设计数控机床的伺服驱动系统设计概述数控机床的伺服驱动系统是机床运动过程中最重要的部分之一，它直接影响到机床加工的精度和速度。
伺服驱动系统通常由控制器、伺服电机和变频器组成，其中控制器控制运动轨迹和速度，伺服电机负责产生旋转矢量，变频器则将控制信号转化为直流电机所需的电压与电流。
本文将从伺服驱动系统的工作原理、设计流程、性能参数等方面详细介绍数控机床伺服驱动系统的设计。
一、伺服驱动系统的工作原理伺服驱动系统是一种控制精度高、调速范围广的电机控制系统。
其工作原理是，控制器通过控制电机提供给负载的转矩和速度，来控制运动轨迹和速度。
在伺服电机转动过程中，由于负载、摩擦和惯性的作用，电机会出现转速、转矩和角度等变化，而伺服系统通过控制电机的转矢量，使其保持稳定并按要求运动。
伺服驱动系统通常包括控制器、伺服电机、变频器和编码器等部分。
控制器负责处理数字信号，将控制信号转化为伺服电机所需的运动参数，控制伺服电机按照指定的速度和轨迹运动。
伺服电机通过转矢量的变化，将数字信号转化为机械能。
变频器则将控制信号转化为电压和电流，控制电机转速和转矩。
编码器则负责将电机转动所产生的角度信号转换为数字信号，供控制器参考，实现位置闭环控制。
二、伺服驱动系统的设计流程伺服驱动系统的设计流程主要包括三个步骤：系统分析与规划、硬件设计与调试、软件编程与调试。
设计过程的具体细节如下：1.系统分析与规划对数控机床伺服驱动系统进行需求分析，包括机床加工要求、使用环境、使用寿命、成本等因素。
同时，结合机床的结构和运动特点，确定伺服电机类型、编码器类型、控制卡和变频器性能参数等。
软件方面，确定程序样式、功能模块和通用接口等，编写使用手册和技术规格书。
2.硬件设计与调试伺服电机、编码器、变频器和控制器的硬件设计要符合系统规划，并尽可能提高系统稳定性和抗干扰能力。
在设计中，要考虑电路拓扑、元器件选型、线路连接、机械紧固等细节，确保系统正常工作。
数控机床的伺服驱动系统 PPT课件
2. 工作台进给速度的控制
进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→步 进电机转速ω→工作台进给速度v
3. 工作台运动方向的控制
定子绕阻通电顺序改变→工作台运动方向改变
2020/3/31
21
三、步进电机的驱动（控制）线路
功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲 转换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变 化的频率、次数和顺序的功率信号
1. 步进电机的种类
按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子 按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式
2020/3/31
14
2. 步进电机的结构
2020/3/31
16
3. 步进电机的工作原理
2020/3/31
17
基本结论
步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子 转过一个固定的角度，即电机的步距角； 改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转 方向随之改变; 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子 的转速越高; 步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k 有关。 360 /(mzk )
2020/3/31
2
机床的伺服驱动
2020/3/31
3
Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
E/R- Modul NCU
2020/3/31
DrehstromHauptspindelmotor
Peripherie SIMATIC S7-300
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
23
3. 加减速电路
进给脉冲频率f→定子绕阻通断电状态变化频率f→步 进电机转速ω→工作台进给速度v
3. 工作台运动方向的控制
定子绕阻通电顺序改变→工作台运动方向改变
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三、步进电机的驱动（控制）线路
功能：将一定频率f、数量N和方向的进给脉冲 转换为控制步进电机定子各相绕阻通断电状态变 化的频率、次数和顺序的功率信号
1. 步进电机的种类
按产生力矩原理分：反应式、激磁式 按输出力矩大小分：伺服式、功率式 按定子数：单定子、双定子、三定子、多定子 按各相绕阻分布：径向分相式、轴向分相式
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2. 步进电机的结构
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3. 步进电机的工作原理
2020/3/31
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基本结论
步进电机定子绕阻通电状态每改变一次，它的转子 转过一个固定的角度，即电机的步距角； 改变步进电机定子绕阻的通电顺序，其转子的旋转 方向随之改变; 步进电机定子绕阻通电状态变化的频率越高，转子 的转速越高; 步距角与定子绕阻相数m、转子齿数z、通电方式k 有关。 360 /(mzk )
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机床的伺服驱动
2020/3/31
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Bedientafelfront mit PCU 20/50/70
E/R- Modul NCU
2020/3/31
DrehstromHauptspindelmotor
Peripherie SIMATIC S7-300
Umrichter SIMODRIVE 611 digital mit CNC SINUMERIK 840D
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3. 加减速电路
数控机床的伺服驱动系统
1
数控机床的伺服驱动系统
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
数控机床的伺服驱动系统
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，而在数控机床中，伺服系
2
统主要指各坐标轴进给驱动的位置控制系统，它由执行组件（如步进电机、交直流电动机
等）和相应的控制电路组成，包括主驱动和进给驱动。伺服系统接收来自CNC装置的进给
脉冲，经变换和放大，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动。这些轴有的带动工作台，有
（4）步进电动机的主要特点
步进电动机受脉冲信号的 控制，每输入一个脉冲， 就变换一次绕组的通电状 态，电动机就相应转动一 步。因此角位移与输入脉 冲个数成严格的比例关系。
一旦停止送入控制脉冲， 只要维持控制绕组电流不 变，电动机可以保持在其 固定的位置上，不需要机 械制动装置。
输出转角精度高，虽有相 邻齿距误差；但无积累误 差。
4.3.2.2 直流伺服电动机
直流伺服电动机是数控机床伺服系统中应用最早的，也是使用最广泛的 执行组件。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构类型。随着磁性 材料的发展，用稀土材料制作的永磁式直流伺服电动机的性能超过了电 磁式直流伺服电动机，目前广泛应用于机床进给驱动。直流伺服电动机 的工作原理与普通直流电动机完全相同，但工作状态和性能差别很大。 机床进给伺服系统中使用的多为大功率直流伺服电动机，如低惯量电动 机和宽调速电动机等。
θb =
从上面的分析可以看 出，步进电动机转动 的角度取决于定子绕 组的相数、转子齿数 及供电的逻辑状态。 若以θb表示步距角， 则有
（4-12）
360
mzK 式中 m—步进电动机相数；z—转子齿数；K—由 步进电动机控制方式确定的拍数和相数的比例系 数，如三相三拍时，K＝１；而三相六拍制时，K ＝２。 为了提高加工精度，一般要求步距角很小，数控 机床中常用的步进电动机步距角为0.36ｏ～3ｏ
5.第五章 数控机床电气控制线路
图5.1 数控机床电气组成结构框图
1
第一节 数控车床电气控制线路
数控车床的机械部分比同规格的普通车床更为紧凑简洁。 主轴传动为一级传动,去掉了普通机床主轴变速齿轮箱， 采用了变频器实现主轴无级调速。进给移动装置采用滚 珠丝杠，传动效率高、精度高、摩擦力小。
2
1.1 数控车床的主要工作情况
一般经济型数控车床的进给均采用步进电动机，进给电 动机的运动由NC装置实现信号控制。 数控车床的刀架能自动转位。换刀电动机有步进、直流 和异步电动机之分，这些电动刀架的旋转、定位均由NC 数控装置发出信号，控制其动作。而其他的冷却、液压 等电气控制跟普通机床差不多。 现以经济型CK0630型数控车床为例，说明普通数控车床
20
图 5.11 数控系统控制步进驱动接线图原理图
21
4、数控系统对电动刀架的控制:
(1)、直流型电动机电动刀架
数控系统控制电动刀架,主要控制刀架电动机的正反转, 所反应的刀号数送给数控系统.从数控系统输入信号接 口来看，低电平有效。由于电动机电流不是太大，故 选用数控系统能驱动的功率继电器。
数控系统控制电动刀架电动机的接线原理图如图5.12 所 示 。 P3 口 的 O6(P3.6) 和 O7 （ P3.7) 控 制 KA3 、 KA4继电器,由于输出低电平有效,故中间继电器另一端 接+24V。三个微动开关信号SQ1～ SQ3分别接P3口 的I1（P3.21)、I2（P3.22）、I3（P3.23），信号低 电平有效。图5.12中，用 KA3、KA4的触点控制直流 电动机正反转，而直流电源 DC27V的产生通过变压器 和整流桥等电路产生。
31
图5.19 CLK脉冲与DIR信号波形
图5.20 数控系统与步进驱动的接口图
1
第一节 数控车床电气控制线路
数控车床的机械部分比同规格的普通车床更为紧凑简洁。 主轴传动为一级传动,去掉了普通机床主轴变速齿轮箱， 采用了变频器实现主轴无级调速。进给移动装置采用滚 珠丝杠，传动效率高、精度高、摩擦力小。
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1.1 数控车床的主要工作情况
一般经济型数控车床的进给均采用步进电动机，进给电 动机的运动由NC装置实现信号控制。 数控车床的刀架能自动转位。换刀电动机有步进、直流 和异步电动机之分，这些电动刀架的旋转、定位均由NC 数控装置发出信号，控制其动作。而其他的冷却、液压 等电气控制跟普通机床差不多。 现以经济型CK0630型数控车床为例，说明普通数控车床
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图 5.11 数控系统控制步进驱动接线图原理图
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4、数控系统对电动刀架的控制:
(1)、直流型电动机电动刀架
数控系统控制电动刀架,主要控制刀架电动机的正反转, 所反应的刀号数送给数控系统.从数控系统输入信号接 口来看，低电平有效。由于电动机电流不是太大，故 选用数控系统能驱动的功率继电器。
数控系统控制电动刀架电动机的接线原理图如图5.12 所 示 。 P3 口 的 O6(P3.6) 和 O7 （ P3.7) 控 制 KA3 、 KA4继电器,由于输出低电平有效,故中间继电器另一端 接+24V。三个微动开关信号SQ1～ SQ3分别接P3口 的I1（P3.21)、I2（P3.22）、I3（P3.23），信号低 电平有效。图5.12中，用 KA3、KA4的触点控制直流 电动机正反转，而直流电源 DC27V的产生通过变压器 和整流桥等电路产生。
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图5.19 CLK脉冲与DIR信号波形
图5.20 数控系统与步进驱动的接口图
数控加工技术-第五章 数控机床的伺服系统
《数控加工技术》
2. 步进电动机的工作原理 反应式步进电动机又叫可变磁阻式 (Variable Reluctance) 步进电动机, 简称 VR 电动机。 (1) 反应式步进电动机的结构
图 5-5 径向式三相反应式电动机的结构原理 1—绕组 2—定子铁心 3—转子铁心 4—A 相
图 5-6 三相轴向分相式反应式步进电动机的结构原理 1—外壳 2—C 段绕组 3—C 段定子 4—转轴 5—C 段检转子 6—空气隙
《数控加工技术》
1. 步进电动机的分类 步进电动机的种类繁多, 步进电动机按运动方式可分为旋转运动、 直线运动、 平面运 动和滚切运动式步进电动机; 按工作原理可分为反应式 (磁阻式)、 电磁式、 永磁式、 永磁 感应子式步进电动机; 按使用场合可分为功率步进电动机和控制步进电动机; 按结构可分为单 段式 (径向式)、 多段式 (轴向式)、 印刷绕组式步进电动机; 按相数可分为三相、 四相、五 相步进电动机等; 按使用频率可分为高频步进电动机和低频步进电动机。 不同类型的步进电 动机, 其工作原理、 驱动装置也不完全一样。
普通高等教育3D版机械类规划教材
数 控 加 工 技 术（3D版）
2020.8
《数控加工技术》
第五章 数控机床的伺服系统
§5-1 数控机床的伺服系统概述 §5-2 伺服系统的驱动元件 §5-3 伺服系统的位置检测装置
《数控加工技术》 5.1 数控机床的伺服系统概述
5.1.1 伺服系统的组成及工作原理
《数控加工技术》
3) 三相六拍工作方式。 若定子绕组的通电顺序是A→AB→B→BC→C→CA→A→……, 这 种通电方式是单、 双相轮流通电。
《数控加工技术》
5.1.3 数控伺服系统的分类
数控机床伺服驱动ppt课件
2．功率放大器 从环形脉冲分配器输出的控制脉
冲信号功率很小，必需经功率放大器 放大后，才干驱动步进电动机运转。 功率放大器有电压型和电流型。电压 100Ω 型又有单电压型、双电压型，电流型 有恒流型、斩波恒流型等。
采用脉冲变压器TI组成的高低压
VT1
功率放大器电路。
输入
当输入端为低电平常，晶体管VTl、 1kΩ VT2、VT3、VT4均截止，电动机绕组W 无电流经过。输入脉冲到来时，输入 端变为高电平，晶体管VTl、VT2、 VT4饱和导通。
困难。
二、开环伺服系统
〔一〕步进电动机 1．步进电动机的任务原理 由转子和定子组成。转子和定子均由带齿
的硅钢片叠成。定子上均布有六个磁极及其绕 组，同不断径上的为一相，共有三相，磁极上 有齿。转子上均匀分布着40个齿，齿与齿槽宽 度相等，齿间角9°。定子与转子齿间角相等。 假设A相齿与转子齿中心线对齐，B相齿相对转 子齿逆时针差1/3齿间角，C相齿相对转子齿逆 时针差2/3齿间角。
第五节 伺服驱动与控制
❖ 一、概述 ❖ 二、开环伺服系统 ❖ 三、闭环与半闭环伺服系统
一、概 述
❖ 定义——数控机床伺服系统属位置随动系统，是以挪动部件的直线或 角位移为控制目的的自动控制系统，它以CNC安装插补输出为指令， 对任务台、主轴箱、刀架等执行部件的坐标轴位移进展控制，最终获 得要求的刀具运动轨迹。因此，数控机床的伺服系统也被称为进给伺 服系统。
+12V
VD4 TI
R VT2 200Ω
VT3 VD3
R VD5 W
VT4
+80V VD2 VD1
18Ω
18Ω 0.1μF
在VT2由截止到饱和导通期间，其集电极电流，即脉冲变压TI的一次 电流急剧添加，在变压器二次侧感生一个电压，使VT3饱和导通，80V的 高压经高压管VT3加到绕组W上，使流过绕组W的电流迅速上升。当VT2进 入稳定形状后，TI一次侧电流恒定，无磁通量变化，二次侧的感应电压 为零，VT3截止，12V低压电源经VDl加到绕组W上，并维持绕组W中的电流。 输入脉冲终了后，晶体管VTl、VT2、VT3、VT4又都截止，储存在W中的能 量经过18Ω的电阻和VD2放电，电阻的作用是减小放电回路的时间常数， 改善电流波形的后沿。该电路由于采用高压驱动，电流增长加快，脉冲 电流的前沿变陡，电动机的动态转矩和运转频率都得到了提高。
(机床)数控技术：第五章 伺服驱动系统
第五章 伺服驱动系统
第一节 伺服系统概述 第二节 伺服系统中常用的检测装置 第三节 步进电机极其驱动系统 第四节 直流电机与速度控制 第五节 交流电机与速度控制 第六节 主轴控制 第七节 位置控制
第一节 伺服系统概述
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象 的自动控制系统。
一、数控机床伺服系统的分类 二、数控机床对伺服系统的要求
P3 P4
微 分
Y5
号，A、B、C、D信号再 经微分变成窄脉冲A′、B′、
差动
C′、D′，即在正走或反走
放大 器
整B
形
反D微
Y6 Y7
时每个方波的上升沿产生 窄脉冲，由与门电路把0o、
相
分
90o、180o、270o四个位
Y8
置上产生的窄脉冲组合起
a) 原理电路图
来，根据不同的移动方向 形成正向或反向脉冲。
正向运动时，用与门Y1～Y4及或门H1，得到A’B+AD’+C’D+B’C的四个输出 脉冲；反向运动时，用与门Y5～Y8及或门H2，得到BC’+ CD’+A’D+ AB’的四
个输出脉冲
其波形图
sin
cos A B
C D A′ B′ C′ D′ 正向 相加A’B+AD’+C’D+B’C 反向 相加BC’+CD’+A’D+AB’
第二节 伺服系统中常用的检测装置
检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。 它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构 成半闭环、闭环系统。
检测装置的性能
检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性上。 • 静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、
第一节 伺服系统概述 第二节 伺服系统中常用的检测装置 第三节 步进电机极其驱动系统 第四节 直流电机与速度控制 第五节 交流电机与速度控制 第六节 主轴控制 第七节 位置控制
第一节 伺服系统概述
伺服系统是指以机械位置或角度作为控制对象 的自动控制系统。
一、数控机床伺服系统的分类 二、数控机床对伺服系统的要求
P3 P4
微 分
Y5
号，A、B、C、D信号再 经微分变成窄脉冲A′、B′、
差动
C′、D′，即在正走或反走
放大 器
整B
形
反D微
Y6 Y7
时每个方波的上升沿产生 窄脉冲，由与门电路把0o、
相
分
90o、180o、270o四个位
Y8
置上产生的窄脉冲组合起
a) 原理电路图
来，根据不同的移动方向 形成正向或反向脉冲。
正向运动时，用与门Y1～Y4及或门H1，得到A’B+AD’+C’D+B’C的四个输出 脉冲；反向运动时，用与门Y5～Y8及或门H2，得到BC’+ CD’+A’D+ AB’的四
个输出脉冲
其波形图
sin
cos A B
C D A′ B′ C′ D′ 正向 相加A’B+AD’+C’D+B’C 反向 相加BC’+CD’+A’D+AB’
第二节 伺服系统中常用的检测装置
检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。 它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构 成半闭环、闭环系统。
检测装置的性能
检测装置的性能指标主要反应在其动态特性和静态特性上。 • 静态特性包括精度、分辨率、灵敏度、测量范围和量程、
第五章数控机床伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
（2）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时
都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应 有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的 可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机 械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给 电网，以实现快速制动。
脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉 冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根 据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。
数控机床的伺服驱动系统
1. 脉冲比较伺服系统组成
图5-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服 系统。它主要由下列部分组成：
指令脉冲
△Pi D/A
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述 5.2 位置控制 5.3 主轴定向控制 5.4 伺服系统性能及参数 5.5 全数字式伺服系统 5.6 经济型数控系统 5.7 标准型数控系统 5.8 典型FANUC数控系统介绍
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述
伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服 系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系 统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组 成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的 内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部 件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算 生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接 反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
位置控制
速度控制
位置指 P令 C ＋ 位－ 置 Pf比 △ 较 P器 位置变换/速度UP*+－ 速度△ 比U较 P器 实 速际 度速 调度 节器UP
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（5）低速大转矩
机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动 机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝 杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的 转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。
数控机床的伺服驱动系统
（6）较强的过载能力 由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动
比较环节 Pci
转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
工作台
光栅或光 电编码器
图5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
位置控制
速度控制
位置指 P令 C ＋ 位－ 置 Pf比 △ 较 P器 位置变换/速度UP*+－ 速度△ 比U较 P器 实 速际 度速 调度 节器UP
实际位置
电动机 速度传感器
位置检测
图5-1 位置控制回路组成
位置传感器 位置变换/速度
数控机床的伺服驱动系统
5.2.1 位置比较实现的方式
位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值 PC和检测出的位置Pf在位置比较器中进行比较，产生位置偏 差ΔP，在把ΔP转为瞬时速度指令电压UP。
数控机床的伺服驱动系统
（2）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时
都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应 有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的 可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机 械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给 电网，以实现快速制动。
第五章数控机床伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述 5.2 位置控制 5.3 主轴定向控制 5.4 伺服系统性能及参数 5.5 全数字式伺服系统 5.6 经济型数控系统 5.7 标准型数控系统 5.8 典型FANUC数控系统介绍
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述
伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服 系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系 统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组 成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的 内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部 件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算 生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接 反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过 载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
（1）高精度 由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了
保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。 一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精 度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强 的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保 证有较好的加工精度。
位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置 精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开
环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置
发送所需要的脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服 系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组
成，如图作原理 当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算 得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的 指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工 作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器 与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动， 产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。 现设工作台处于静止状态。
数控机床的伺服驱动系统
（3）响应快速
为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的 快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺 服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系 统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了 提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以 缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大 减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒， 且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过 程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。
数控机床的伺服驱动系统
（4）调速范围宽
目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～ 30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮 的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电 动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范 围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。
脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉 冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根 据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。
数控机床的伺服驱动系统
1. 脉冲比较伺服系统组成
图5-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服 系统。它主要由下列部分组成：
指令脉冲
△Pi D/A
数控机床的伺服驱动系统
5.1.1 伺服系统的组成 伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进
给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插 补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床 的精度和工作台的速度等技术指标。
数控机床的伺服驱动系统
5.1.2 数控机床对伺服系统的要求
输入位置比较器中的位置指令有两类方式——脉冲列和 数值指令。
数控机床的伺服驱动系统
一、脉冲比较伺服系统
在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。 这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置 控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器 或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭 环形式构成伺服系统。
机床在低速切削时，切深和进给都较大，要求主轴电动 机输出转矩较大。现代的数控机床，通常是伺服电动机与丝 杠直联，没有降速齿轮，这就要求进给电动机能输出较大的 转矩。对于数控机床进给伺服系统主要是速度和位置控制。
数控机床的伺服驱动系统
（6）较强的过载能力 由于电动机加减速时要求有很快的响应速度，而使电动
比较环节 Pci
转换器
伺服放大器
伺服 电动机
Pf 反馈脉冲
位置检测
脉冲处理
工作台
光栅或光 电编码器
图5-2 脉冲比较伺服系统结构框图
数控机床的伺服驱动系统
(1) 由计算机数控制装置提供指令的脉冲。 (2) 反映机床工作台实际位置的位置检测器。 (3) 完成指令信号与反馈信号相比较的比较器。 (4) 将比较器输出数字信号转变成伺服电动机模拟控制 信号的数/模转换器。 (5) 执行元件（伺服电动机）。
位置控制
速度控制
位置指 P令 C ＋ 位－ 置 Pf比 △ 较 P器 位置变换/速度UP*+－ 速度△ 比U较 P器 实 速际 度速 调度 节器UP
实际位置
电动机 速度传感器
位置检测
图5-1 位置控制回路组成
位置传感器 位置变换/速度
数控机床的伺服驱动系统
5.2.1 位置比较实现的方式
位置控制的作用是将CNC装置插补出的瞬时位置指令值 PC和检测出的位置Pf在位置比较器中进行比较，产生位置偏 差ΔP，在把ΔP转为瞬时速度指令电压UP。
数控机床的伺服驱动系统
（2）可逆运行 在加工过程中，机床工作台根据加工轨迹的要求，随时
都可能实现正向或反向运动，同时要求在方向变化时，不应 有反向间隙和运动的损失。从能量角度看，应该实现能量的 可逆转换，即在加工运行时，电动机从电网吸收能量变为机 械能；在制动时应把电动机的机械惯性能量变为电能回馈给 电网，以实现快速制动。
第五章数控机床伺服驱动系统
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述 5.2 位置控制 5.3 主轴定向控制 5.4 伺服系统性能及参数 5.5 全数字式伺服系统 5.6 经济型数控系统 5.7 标准型数控系统 5.8 典型FANUC数控系统介绍
数控机床的伺服驱动系统
5.1 概述
伺服(Servo)，本意为“服从”的含义。数控机床伺服 系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系 统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组 成部分，包含机械传动、电气驱动、检测、自动控制方面的 内容，涉及强电与弱电控制。进给伺服系统是以机床移动部 件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算 生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接 反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。
机可能在过载的条件下工作，这就要求电动机有较强的抗过 载能力。通常要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。
（7）惯性匹配 移动部件加速和降速时都有较大的惯量，由于要求系统
的快速响应性能好，因而电动机的惯量要与移动部件的惯量 匹配。通常要求电动机的惯量不小于移动部件惯量。
数控机床的伺服驱动系统
5.2 位置控制
（1）高精度 由于数控机床的动作是由伺服电动机直接驱动的，为了
保证移动部件的定位精度，对进给伺服系统要求定位准确。 一般要求定位精度达到0.01～0.001mm；高档设备的定位精 度要求达到0.1µm以上。速度控制要求在负载变化时有较强 的抗扰动能力，以保证速度恒定。这样才能在轮廓加工中保 证有较好的加工精度。
位置控制是进给伺服系统的重要组成部分，是保证进给位置 精度的重要环节。位置控制按其结构可分为开环和闭环控制。开
环伺服系统位置控制比较简单，根据进给系统的需要由CNC装置
发送所需要的脉冲指令便实现了位置控制。对闭环或半闭环伺服 系统，位置控制回路由位置控制、速度控制和位置检测三部分组
成，如图作原理 当数控系统要求工作台向一个方向进给时，经插补运算 得到一系列进给脉冲作为指令脉冲，其数量代表了工作台的 指令进给量，频率代表了工作台的进给速度，方向代表了工 作台的进给方向。以增量式光电编码器为例，当光电编码器 与伺服电动机及滚珠丝杠直联时，随着伺服电动机的转动， 产生序列脉冲输出，脉冲的频率将随着转速的快慢而升降。 现设工作台处于静止状态。
数控机床的伺服驱动系统
（3）响应快速
为了提高生产率，保证加工精度要求伺服系统有良好的 快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。这就对伺 服系统的动态性能提出了两方面的要求：一方面，在伺服系 统处于频繁地起动、制动、加速、减速等动态过程中，为了 提高生产效率和保证加工质量，要求加、减速度足够大，以 缩短过渡过程时间，一般电动机速度由零到最大，或从最大 减少到零，时间应控制在200毫秒以下，甚至少于几十毫秒， 且速度变化不应有超调；另一方面，当负载突变时，过渡过 程恢复时间要短且无振荡，这样才能达到光滑的加工表面。
数控机床的伺服驱动系统
（4）调速范围宽
目前数控机床一般要求进给伺服系统的调速范围是0～ 30m/min，有的已达到240m/min。除去滚珠丝杠和降速齿轮 的降速作用。伺服电动机要有更宽的调速范围。对于主轴电 动机，因使用无级调速，要求有（1:100）～（1:1000）范 围内的恒转矩调速以及1:10以上的恒功率调速。
脉冲比较伺服系统是将位置指令脉冲与检测元件反馈脉 冲在比较器进行比较，得到位置偏差脉冲信号。伺服系统根 据这一偏差信号去驱动电动机，原理框图如图5-2所示。
数控机床的伺服驱动系统
1. 脉冲比较伺服系统组成
图5-2是以光电编码器为位置检测元件的脉冲比较伺服 系统。它主要由下列部分组成：
指令脉冲
△Pi D/A
数控机床的伺服驱动系统
5.1.1 伺服系统的组成 伺服系统完成机床移动部件（如工作台；主轴或刀具进
给等）的位置和速度控制。它接收计算机的插补命令，将插 补脉冲转换为机械位移。伺服系统的性能直接影响数控机床 的精度和工作台的速度等技术指标。
数控机床的伺服驱动系统
5.1.2 数控机床对伺服系统的要求
输入位置比较器中的位置指令有两类方式——脉冲列和 数值指令。
数控机床的伺服驱动系统
一、脉冲比较伺服系统
在进给伺服系统中，脉冲比较伺服系统应用比较普遍。 这是因为该系统结构较为简单，易于实现数字化的闭环位置 控制。脉冲比较伺服系统的检测元件可以是光电脉冲编码器 或光栅。但普遍采用光电编码器作为位置检测元件，以半闭 环形式构成伺服系统。